Rinder-Stammzellen könnten kultiviertes Steak ermöglichen
Forscher des EMBL in Barcelona entwickeln selbstorganisierende Rindergewebe, die Muskel-, Nerven- und Blutgefäßzellen enthalten
Bei „kultiviertem Fleisch“ geht es darum, Fleisch aus tierischen Zellen im Labor herzustellen, ohne dass für die Fleischproduktion ein lebendes Tier gezüchtet werden muss. Es wird als potenziell nachhaltigere Alternative zur konventionellen Fleischproduktion angesehen. Doch die Nachbildung von etwas so Komplexem wie einem Steak – im Gegensatz zu Hackfleisch – stellt nach wie vor eine große wissenschaftliche Herausforderung dar.
3D-Rindergewebe mit Muskelfasern und blutgefäßähnlichen Netzwerken.
Marina Sanaki-Matsumiya/EMBL, CC BY-NC-SA
Nun haben Forscher am EMBL Barcelona eine Methode entwickelt, um selbstorganisierende Rindergewebe, die Muskel-, Nerven- und Blutgefäßzellen enthalten, aus einer im Labor gezüchteten Linie embryonaler Rinderstammzellen zu züchten. Die Arbeit bietet eine neue Plattform für die Erforschung der Gewebebildung und könnte dazu beitragen, zukünftige Technologien für kultiviertes Fleisch voranzubringen. Die Arbeit wurde in „Nature Communications“ veröffentlicht.
Aktuelle Ansätze zur Züchtung von Rindfleisch stützen sich in der Regel auf Stammzellen, die von erwachsenen Kühen entnommen werden. Diese Zellen können zwar Muskelgewebe bilden, verfügen jedoch nur über eine begrenzte Teilungsfähigkeit und sind bereits darauf festgelegt, sich nur zu bestimmten Gewebetypen zu entwickeln. Dies erschwert es, die Vielfalt der Zelltypen nachzubilden, die in echtem Fleisch vorkommen.
Miki Ebisuya, ehemalige Gruppenleiterin am EMBL Barcelona und derzeitige Humboldt-Professorin am PoL-TU Dresden, und ihr Team verwendeten eine etablierte Linie embryonaler Rinder-Stammzellen, die über lange Zeiträume im Labor gezüchtet und vermehrt werden können. Im Gegensatz zu adulten Zellen können sich embryonale Stammzellen über lange Zeiträume hinweg vermehren und behalten dabei die Fähigkeit, sich zu vielen verschiedenen Zelltypen zu entwickeln. Durch sorgfältige Steuerung ihrer Entwicklung erzeugten die Forscher gleichzeitig drei Schlüsselkomponenten des Muskelgewebes: Skelettmuskelzellen, Neuronen und Endothelzellen, aus denen Blutgefäße entstehen können. Bemerkenswerterweise organisierten sich die Zellen von selbst zu dreidimensionalen, gewebeähnlichen Aggregaten, ohne dass komplexe Assemblierungstechniken erforderlich waren.
„Eine der größten Herausforderungen bei kultiviertem Fleisch ist es, die Komplexität von echtem Gewebe nachzubilden“, sagte Marina Sanaki-Matsumiya, ehemalige Postdoktorandin in der Ebisuya-Gruppe und derzeit Assistenzprofessorin an der Universität Tsukuba in Japan. „Anstatt jeden Zelltyp separat zu züchten und anschließend zusammenzusetzen, haben wir gezeigt, dass sich embryonale Stammzellen gemeinsam entwickeln und selbst organisieren können, wodurch sie die Entwicklung von echtem Gewebe nachahmen.“
Die Fähigkeit, Endothelzellen zu bilden, ist besonders wichtig. In lebendem Gewebe versorgen Blutgefäße das Gewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen, wodurch es wachsen und gesund bleiben kann. Obwohl die in dieser Studie gebildeten, blutgefäßähnlichen Netzwerke noch primitiv sind, stellen sie einen wichtigen Schritt hin zur Erzeugung größerer, komplexerer kultivierter Gewebe dar.
Mithilfe des von der Ebisuya-Gruppe entwickelten Verfahrens erzeugten die Forscher innerhalb von 15 Tagen 3D-Aggregate mit einem Durchmesser von 0,6 mm. Obwohl diese Gewebe außergewöhnlich klein sind, weisen sie ein beachtliches Maß an zellulärer Komplexität auf. In jedem der Aggregate bildeten sich Muskelfasern neben Netzwerken aus Endothelzellen und spinalen Neuronen, die mit dem Muskel interagierten. Dies zeigt, dass mehrere miteinander interagierende Gewebetypen gemeinsam aus demselben Entwicklungsprozess entstehen können, anstatt aus abgeleiteten adulten Zelltypen zusammengesetzt zu werden.
Die Forscher betonen, dass es sich bei dieser Arbeit eher um einen frühen Proof-of-Concept als um eine Anleitung zur Herstellung von kultivierten Steaks handelt.
„Das von uns erzeugte Gewebe ist noch sehr klein“, sagte Ebisuya. „Um etwas herzustellen, das einem Steak ähnelt, benötigen wir viel größere Gewebe mit ausgereifteren Blutgefäßnetzwerken, die ein kontinuierliches Wachstum unterstützen können.“
Eine weitere große Herausforderung sind die Kosten. Die Kultivierung embryonaler Stammzellen und die Steuerung ihrer Entwicklung erfordern derzeit teure Zellkulturmedien und Reagenzien, was eine groß angelegte Lebensmittelproduktion wirtschaftlich unrentabel macht.
Über die Lebensmittelproduktion hinaus liefert die Arbeit auch ein aussagekräftiges Modell zum Verständnis der Entwicklung von Muskelgewebe. Da das System mehrere miteinander interagierende Zelltypen enthält, könnte es Forschern helfen, die Muskelentwicklung und das Tissue Engineering auf eine Weise zu untersuchen, die mit einfacheren Zellkulturen nur schwer zu erreichen ist.
Obwohl kultivierte Steaks noch lange nicht Realität sind, zeigt die Studie, dass embryonale Stammzellen mehrere der wesentlichen zellulären Bestandteile in einem einzigen, sich selbst organisierenden System erzeugen können. Durch die Zusammenführung von Muskel-, Nerven- und Blutgefäßzellen legt die Arbeit wichtige Grundlagen für den Aufbau komplexerer kultivierter Gewebe in der Zukunft.
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